Kaip iš tikrųjų veikia sandarinimo mechanizmai pneumatinėse sistemose?

SDA serijos kompaktiškų pneumatinių cilindrų surinkimo rinkiniai

Pneumatinėse sistemose jaučiate oro nuotėkį? Jūs ne vieni. Daugelis inžinierių susiduria su sandariklių gedimais, dėl kurių mažėja efektyvumas, didėja techninės priežiūros išlaidos ir atsiranda netikėtų prastovų. Tinkamos žinios apie sandarinimo mechanizmus gali padėti išspręsti šias įsisenėjusias problemas.

Pneumatinių sistemų sandarinimo mechanizmai veikia dėl kontroliuojamos deformacijos elastomerinės medžiagos¹ prie poravimosi paviršių. Veiksmingi sandarikliai išlaiko kontaktinį slėgį dėl suspaudimo (statiniai sandarikliai) arba dėl slėgio, trinties ir tepimo balanso (dinaminiai sandarikliai), sudarydami nepralaidų barjerą oro nuotėkiui.

"Bepto" su pneumatinėmis sistemomis dirbu daugiau nei 15 metų ir esu matęs daugybę atvejų, kai sandarinimo principų išmanymas leido įmonėms sutaupyti tūkstančius techninės priežiūros išlaidų ir išvengti katastrofiškų sistemos gedimų.

Turinys

Kaip žiedų suspaudimo santykis veikia sandarinimo savybes?
Kodėl Stribecko kreivė yra labai svarbi projektuojant pneumatinius sandariklius?
Kas lemia dinaminių sandariklių trinties įkaitimą ir kaip jį valdyti?
Išvada
DUK apie pneumatinius sandarinimo mechanizmus

Kaip žiedų suspaudimo santykis veikia sandarinimo savybes?

O-žiedai yra bene labiausiai paplitę pneumatinių sistemų sandarinimo elementai, tačiau jų paprasta išvaizda slepia sudėtingus inžinerinius principus. Suspaudimo santykis yra labai svarbus jų veikimui ir ilgaamžiškumui.

O-žiedo suspaudimo koeficientas - tai deformacijos procentinė dalis, palyginti su pradiniu skerspjūviu, kai jis buvo sumontuotas. Optimalioms eksploatacinėms savybėms pasiekti paprastai reikia 15-30% suspaudimo. Per mažas suspaudimas sukelia nuotėkį, o per didelis suspaudimas lemia ankstyvą gedimą dėl išspaudimo, suspaudimo rinkinys²arba pagreitintas dėvėjimasis.

Teisingas suspaudimo laipsnio nustatymas turi daugiau niuansų, nei daugelis inžinierių įsivaizduoja. Leiskite pasidalyti keliomis praktinėmis įžvalgomis, kurias gavau iš savo patirties, susijusios su bepakopėmis cilindrų sandarinimo sistemomis.

Optimalaus žiedo suspaudimo santykio apskaičiavimas

Atrodo, kad suspaudimo koeficientas apskaičiuojamas paprastai:

Parametras	Formulė	Pavyzdys
Suspaudimo santykis (%)	[(d - g)/d] × 100	Skirta 2,5 mm O formos žiedams 2,0 mm griovelyje: [(2,5 - 2,0)/2,5] × 100 = 20%
Suspaudimas (mm)	d - g	2,5 mm - 2,0 mm = 0,5 mm
Griovelių užpildymas (%)	[π(d/2)²]/[w × g] × 100	Skirta 2,5 mm O formos žiedams 3,5 mm pločio ir 2,0 mm gylio griovelyje: [π(2,5/2)²]/[3,5 × 2,0] × 100 = 70%

Kur:

d = žiedo skerspjūvio skersmuo
g = griovelio gylis
w = griovelio plotis

Konkrečiai medžiagai būdingos suspaudimo gairės

Skirtingoms medžiagoms reikia skirtingo suspaudimo santykio:

Medžiaga	Rekomenduojamas suspaudimas	Paraiška
NBR (nitrilas)	15-25%	Bendrosios paskirties, atsparus alyvai
FKM (Vitonas)	15-20%	Aukšta temperatūra, atsparumas cheminėms medžiagoms
EPDM	20-30%	Vandens, garo naudojimas
Silikonas	10-20%	Ekstremalių temperatūrų diapazonai
PTFE	5-10%	Atsparumas cheminėms medžiagoms, maža trintis

Praėjusiais metais dirbau su Maiklu, techninės priežiūros inžinieriumi maisto perdirbimo gamykloje Viskonsine. Nepaisant to, kad jis naudojo aukščiausios kokybės sandarinimo žiedus, jo bepiločių cilindrų sistemose dažnai pasitaikydavo oro nuotėkis. Išnagrinėjęs jo sąranką, atradau, kad jo griovelių konstrukcija sukelia per didelį NBR O-žiedų suspaudimą (beveik 40%).

Mes pertvarkėme griovelių matmenis, kad būtų pasiektas 20% suspaudimo santykis, o sandariklio tarnavimo laikas pailgėjo nuo 3 mėnesių iki daugiau nei metų, todėl jo įmonė sutaupė tūkstančius eurų techninės priežiūros išlaidų ir prastovų.

Aplinkos veiksniai, turintys įtakos suspaudimo reikalavimams

Optimalus suspaudimo koeficientas nėra statiškas - jis priklauso nuo:

Temperatūros svyravimai: Aukštesnėje temperatūroje reikia mažesnio suspaudimo, kad būtų atsižvelgta į šiluminį plėtimąsi.
Slėgio skirtumai: Esant didesniam slėgiui gali prireikti didesnio suspaudimo, kad būtų išvengta išspaudimo
Dinaminės ir statinės programos: Dinaminiams sandarikliams paprastai reikia mažesnio suspaudimo, kad sumažėtų trintis
Įrengimo būdai: Įrengimo metu atsiradęs tempimas gali sumažinti veiksmingą suspaudimą

Kodėl Stribecko kreivė yra labai svarbi projektuojant pneumatinius sandariklius?

Stribecko kreivė gali skambėti akademiškai, tačiau iš tikrųjų tai yra galingas praktinis įrankis, padedantis suprasti ir optimizuoti sandariklio veikimą bevarikliniuose pneumatiniuose cilindruose ir kitose dinaminėse srityse.

Svetainė Stribecko kreivė³ iliustruoja trinties koeficiento, tepalo klampumo, greičio ir apkrovos priklausomybę nuo slystančių paviršių. Pneumatiniuose sandarikliuose jis padeda inžinieriams suprasti perėjimą tarp ribinio, mišraus ir hidrodinaminio tepimo režimų, o tai labai svarbu siekiant optimizuoti sandariklio konstrukciją konkrečioms darbo sąlygoms.

Stribeko kreivės grafikas, kuriame trinties koeficientas (μ) y ašyje vaizduojamas priklausomai nuo "(klampa × greitis) / apkrova" x ašyje. Kreivė yra U formos. Grafikas aiškiai padalytas į tris pažymėtas sritis. Kairėje pusėje, kur trintis yra didelė, yra "ribinio tepimo" režimas. Viduryje, kur trintis mažėja, yra "mišraus tepimo" režimas. Dešinėje pusėje, kur trintis yra mažiausia, yra hidrodinaminio tepimo režimas. Po kiekviena sritimi yra nedidelė schema, kurioje pavaizduota atitinkama paviršių ir tepalo sąveika. — Stribecko kreivės taikymas pneumatiniuose sandarikliuose

Šios kreivės supratimas turi praktinės reikšmės jūsų pneumatinių sistemų veikimui realiomis sąlygomis.

Trys tepimo režimai pneumatiniuose sandarikliuose

Stribecko kreivė nurodo tris skirtingus darbo režimus:

Tepimo režimas	Charakteristikos	Poveikis pneumatiniams sandarikliams
Ribinis tepimas	Didelė trintis, tiesioginis sąlytis su paviršiumi	Atsiranda paleidimo metu, važiuojant mažu greičiu; sukelia "stick-slip".
Mišrus tepimas	Vidutinė trintis, dalinė skysčio plėvelė	Pereinamoji zona; jautri paviršiaus apdailai ir tepalams
Hidrodinaminis tepimas⁴	Maža trintis, visiškas skysčio atskyrimas	Idealiai tinka darbui dideliu greičiu; minimalus nusidėvėjimas

Praktinis Stribecko kreivės taikymas riebokšliams parinkti

Renkantis bepakopių cilindrų sandariklius, mums padeda Stribeko kreivės supratimas:

Sandariklių medžiagų atitikimas darbo sąlygoms: Skirtingos medžiagos geriau veikia esant skirtingiems tepimo režimams
Pasirinkite tinkamus tepalus: Klampos reikalavimai kinta priklausomai nuo greičio ir apkrovos
Optimalios paviršiaus apdailos projektavimas: Šiurkštumas turi įtakos perėjimui iš vieno tepimo režimo į kitą
Prognozuoti ir užkirsti kelią slydimo reiškiniams: Labai svarbu sklandžiam darbui tiksliose programose

Atvejo analizė: Tikslaus pozicionavimo kliuvinio slydimo eliminavimas

Prisimenu, kaip dirbau su Ema, automatizavimo inžiniere iš Šveicarijos medicinos prietaisų gamintojo. Jos cilindrų be lazdelių sistemai atliekant lėtus ir tikslius judesius pasireikšdavo trūkčiojantys judesiai (stick-slip), o tai turėjo įtakos gaminio kokybei.

Analizuodami programą pagal Stribecko kreivę nustatėme, kad jos sistema veikė ribinio tepimo režimu. Rekomendavome pakeisti PTFE pagrindo sandarinimo medžiagą su modifikuota paviršiaus tekstūra ir kitokia tepalo sudėtimi.

Rezultatas? Sklandus judėjimas net 5 mm/s greičiu, pašalintos kokybės problemos ir 15% padidinta produkcijos išeiga.

Kas lemia dinaminių sandariklių trinties įkaitimą ir kaip jį valdyti?

Į trinties įkaitimą dažnai neatsižvelgiama, kol jis nesukelia ankstyvo sandariklio gedimo. Suprasti šį reiškinį labai svarbu projektuojant patikimas pneumatines sistemas, kurių tarnavimo laikas yra ilgesnis.

Šildymas trinties būdu⁵ dinaminiuose sandarikliuose atsiranda mechaninei energijai virstant šilumine energija sandariklio ir poravimosi paviršiaus sąlyčio sąsajoje. Šiam įkaitimui įtakos turi tokie veiksniai kaip paviršiaus greitis, kontaktinis slėgis, tepimas ir medžiagos savybės. Per didelis įkaitimas pagreitina sandariklio irimą dėl terminio medžiagų suirimo.

Techninis infografikas, kuriame paaiškinamas trinties įkaitimas pneumatiniame sandariklyje. Jame pavaizduotas padidintas sandariklio, slenkančio paviršiumi, skerspjūvis su rodyklėmis, rodančiomis "paviršiaus greitį" ir "kontaktinį slėgį". Slydimo kontakto vietoje raudonai šviečianti sritis pažymėta kaip "Trinties įkaitimas". Padidintame sandariklio medžiagos intarpe matomi maži įtrūkimai, pažymėti užrašu "Sandariklio degradacija", kurie iliustruoja atsiradusią žalą. — Dinaminis sandariklio trinties įkaitimo poveikis

Trinties įkaitimo pasekmės gali būti sunkios - nuo sutrumpėjusio sandariklio tarnavimo laiko iki katastrofiško gedimo. Panagrinėkime šį reiškinį išsamiau.

Kiekybinis trinties šilumos išsiskyrimo nustatymas

Dėl trinties atsirandančią šilumą galima apskaičiuoti naudojant:

Parametras	Formulė	Pavyzdys
Šilumos gamyba (W)	Q = μ × F × v	μ=0,2, F=100N, v=0,5 m/s: Q = 0,2 × 100 × 0,5 = 10W
Temperatūros pakilimas (°C)	ΔT = Q/(m × c)	10 W šilumos, 5 g sandarinimo, c=1,7J/g°C: ΔT = 10/(5 × 1,7) = 1,18°C/s
Pastovios būsenos temperatūra	Tss = Ta + (Q/hA)	Priklauso nuo šilumos perdavimo koeficiento ir paviršiaus ploto

Kur:

μ = trinties koeficientas
F = normalinė jėga
v = slydimo greitis
m = masė
c = savitoji šiluminė talpa
Ta = aplinkos temperatūra
h = šilumos perdavimo koeficientas
A = paviršiaus plotas

Įprastų sandarinimo medžiagų kritinės temperatūros ribos

Skirtingų sandarinimo medžiagų temperatūros ribos skiriasi:

Medžiaga	Didžiausia nuolatinė temperatūra (°C)	Terminio irimo požymiai
NBR (nitrilas)	100-120	Sukietėjimas, įtrūkimai, sumažėjęs elastingumas
FKM (Vitonas)	200-250	Spalva, sumažėjęs atsparumas
PTFE	260	Matmenų pokyčiai, sumažėjęs atsparumas tempimui
TPU	80-100	Minkštėjimas, deformacija, spalvos pasikeitimas
UHMW-PE	80-90	Deformacija, sumažėjęs atsparumas dilimui

Trinties įkaitimo mažinimo strategijos

Remdamasis savo patirtimi, įgyta naudojant cilindrus be lazdelių, pateikiu veiksmingas trinties įkaitimo kontrolės strategijas:

Optimizuoti kontaktinį slėgį: Jei įmanoma, sumažinkite sandarinimo trukdžius, nesumažindami sandarumo.
Geresnis tepimas: Pasirinkite tinkamo klampumo ir temperatūros stabilumo tepalus.
Medžiagų pasirinkimas: Rinkitės medžiagas su mažesniais trinties koeficientais ir didesniu šiluminiu stabilumu.
Paviršiaus inžinerija: Nurodykite tinkamą paviršiaus apdailą ir dangas, kad sumažintumėte trintį.
Šilumos išsklaidymo konstrukcija: Įdiegti ypatybes, kurios pagerina šilumos perdavimą nuo sandariklių.

Realus taikymas: Didelio greičio cilindrų be strypų konstrukcija

Vienas iš mūsų klientų Vokietijoje eksploatuoja greitaeigę pakavimo įrangą su cilindrais be lazdelių, veikiančiais iki 2 m/s greičiu. Jų originalūs sandarikliai dėl trinties įkaitimo sugedo jau po 3 milijonų ciklų.

Atlikome terminę analizę ir nustatėme, kad sandariklio sąsajoje vietinė temperatūra siekia 140 °C - gerokai daugiau nei 100 °C ribinė NBR sandariklių temperatūra. Perėję prie sudėtinio PTFE sandariklio su optimizuota kontakto geometrija ir pagerinę cilindro šilumos išsklaidymą, pratęsėme sandariklio tarnavimo laiką iki daugiau kaip 20 milijonų ciklų.

Išvada

Mokslo žinios apie O žiedų suspaudimo santykį, praktinį Stribeko kreivės taikymą ir trinties įkaitimo mechanizmus yra patikimų ir ilgaamžių pneumatinių sandarinimo sistemų projektavimo pagrindas. Taikydami šiuos principus, galite parinkti tinkamus sandariklius bepakopiams cilindrams, pašalinti esamas problemas ir užkirsti kelią brangiai kainuojantiems gedimams, kol jie dar neįvyko.

DUK apie pneumatinius sandarinimo mechanizmus

Koks yra idealus O-žiedų suspaudimo santykis pneumatiniuose įrenginiuose?

Idealus O-Ring'ų suspaudimo santykis pneumatiniuose įrenginiuose paprastai yra 15-25% statiniams sandarikliams ir 10-20% dinaminiams sandarikliams. Šis intervalas užtikrina pakankamą sandarinimo jėgą, kartu išvengiant pernelyg didelio suspaudimo, kuris gali sukelti ankstyvą gedimą, ypač bevarikliniuose cilindruose.

Kaip Stribecko kreivė padeda pasirinkti tinkamą sandariklį?

Stribeko kreivė padeda nustatyti, kokiu tepimo režimu, atsižvelgiant į greitį, apkrovą ir tepalo savybes, dirbs jūsų įrenginys. Mažo greičio ir didelės apkrovos taikymams rinkitės sandariklius, optimizuotus ribiniam tepimui. Didelio greičio taikymams rinkitės sandariklius, pritaikytus hidrodinaminio tepimo sąlygoms.

Kas lemia pneumatinių cilindrų slydimo judesį ir kaip jo išvengti?

Slydimo judesius sukelia statinės ir dinaminės trinties koeficientų skirtumas, ypač ribinio tepimo režime. Užkirskite tam kelią naudodami PTFE ar kitas mažos trinties sandarinimo medžiagas, naudodami tinkamus tepalus, optimizuodami paviršiaus apdailą ir užtikrindami tinkamą sandariklio suspaudimą bepakopiame cilindre.

Koks temperatūros padidėjimas priimtinas dinaminiams sandarikliams?

Priimtinas temperatūros padidėjimas priklauso nuo sandariklio medžiagos. Paprastai darbo temperatūra turi būti bent 20 °C žemesnė už medžiagos didžiausią vardinę nuolatinę temperatūrą. NBR (nitrilo) sandarikliams, įprastiems cilindruose be strypų, palaikykite žemesnę nei 80-100 °C temperatūrą, kad prailgintumėte tarnavimo laiką.

Koks ryšys tarp sandariklio kietumo ir suspaudimo reikalavimų?

Kietesnėms sandarinimo medžiagoms (didesnio kietumo) paprastai reikia mažiau suspausti, kad būtų pasiektas efektyvus sandarumas. Pavyzdžiui, 90 Shore A medžiagai gali prireikti tik 10-15% suspaudimo, o minkštesnei 70 Shore A medžiagai gali prireikti 20-25% suspaudimo, kad būtų pasiektas toks pat sandarinimo efektyvumas pneumatiniuose įrenginiuose.

Kaip apskaičiuoti O-Ring sandariklio griovelio matmenis?

Griovelių matmenis apskaičiuokite nustatydami reikiamą suspaudimo laipsnį pagal jūsų naudojimo būdą ir medžiagą. Standartiniam 25% 2,5 mm O žiedo suspaudimui griovelio gylis būtų 1,875 mm (2,5 mm × 0,75). Griovelio plotis turėtų būti toks, kad 60-85% griovelio užpildymas leistų kontroliuoti deformaciją be pernelyg didelio įtempimo.

Pateikiamas elastomerų (viskoelastingų polimerų), kurie dėl savo gebėjimo deformuotis ir grįžti į pradinę formą yra pagrindinės medžiagos, naudojamos pneumatiniams sandarikliams, paaiškinimas. ↩
Pateikiamas techninis suspaudimo sąstingio apibrėžimas - nuolatinė sandariklio deformacija po ilgalaikio suspaudimo, kuri yra pagrindinė statinio sandariklio gedimo priežastis. ↩
Išsamiai aprašyti Stribecko kreivės - pagrindinio tribologijos srities grafiko, kuris parodo, kaip trintis tarp dviejų suteptų paviršių priklauso nuo klampumo, apkrovos ir greičio - principus. ↩
Paaiškina hidrodinaminio tepimo režimą - idealią būseną, kai visiškai ištisinė skysčio plėvelė visiškai atskiria du judančius paviršius, todėl trintis ir dilimas yra minimalūs. ↩
Aprašoma trinties įkaitimo fizika, procesas, kurio metu mechaninė energija paverčiama šilumine energija slydimo sąsajoje ir kuris yra esminis dinaminių sandariklių šiluminio irimo veiksnys. ↩

Sveiki, esu Chuckas, vyresnysis ekspertas, turintis 15 metų patirtį pneumatikos pramonėje. Bendrovėje "Bepto Pneumatic" daugiausia dėmesio skiriu aukštos kokybės, mūsų klientams pritaikytų pneumatinių sprendimų teikimui. Mano kompetencija apima pramonės automatizavimą, pneumatinių sistemų projektavimą ir integravimą, taip pat pagrindinių komponentų taikymą ir optimizavimą. Jei turite klausimų arba norėtumėte aptarti savo projekto poreikius, nedvejodami kreipkitės į mane el. paštu chuck@bepto.com.